0 引言
G S M -R 根据铁路特点增加了增强多优先级与（eMLPP）、语音组呼（VGCS）、语音广播呼叫（VBS）等专用移动通信功能。 GSM-R系统的通信质量至关重要，直接影响铁路运输的安全和效率。同其他无线通信系统一样，无线覆盖是GSM-R通信质量和安全保障的根基。 GSM-R沿线无线环境复杂，需要冗余覆盖且不能存在覆盖盲区。目前，大部分路段由宏站覆盖，长隧道通常采用泄漏电缆加强覆盖。但在一些特殊路段，铁路线路弯道较多，有大量短隧道或路堑，一些丘陵地带受山坡阻挡，都会导致信号衰减较大，类似城市楼宇产生的阴影效应。如何解决山坡阻挡、弯道及路堑等弱覆盖场景是GSM-R系统应用的难题。 铁路无线环境示意见图1。由于地基两侧都有山丘阻挡，导致宏站的信号无法传播。在此类路段，可通过直放站或者分布式射频单元（RRU）设备，使用低中增益天线进行覆盖。以下针对GSM-R弱覆盖场景中的直放站覆盖方案和分布式RRU覆盖方案进行对比分析[1]。 1 直放站覆盖方案
1.1 直放站
由于早期市场没有RRU产品，目前GSM-R现网大多采用光纤直放站作为中继放大信号，应用在不便于宏站安装的隧道、地堑等弱覆盖场景。无线直放站由于自激、干扰等因素已被淘汰，在此不作讨论。
光纤直放站一般由近端机和远端机组成。其中，近端机通过射频电缆与设备相连，然后通过光纤连接至远端机，近端单元通过射频接口连接独立扇区信号，经接收模块进行信号处理，数模转换、数字下变频后进行电光转换，通过光纤拉到远端，远端经光电转换、数
GSM-R弱覆盖场景的
解决方案
杨启庆：南宁铁路局南宁通信段，段长，高级工程师，广西 南宁，530001王 刚：南京中兴软件有限责任公司，工程师，江苏 南京，210011
摘 要：铁路沿线无线环境复杂，在山坡弯道等弱覆盖场景下，较常采用的是直放站覆盖方式。近年来出现的分布式RRU覆盖新技术，已在我国铁路实际应用。针对GSM-R弱覆盖情况下的上述两种解决方案，就组网方案、技术特点等进行对比分析。
关键词：GSM-R；弱覆盖；直放站；分布式RRU
中图分类号：U285.2 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2016）11-0043-05
图1 铁路无线环境示意图
路堑边坡
路基面宽度 地基
侧沟 自然地面
技术应用
GSM-R弱覆盖场景的解决方案 杨启庆 等
模转换、数字上变频、变频到射频后再对射频信号进行放大，完成下行通道处理。上行通道接收采用与下行通道同样的处理过程。
数字光纤直放站需要考虑时延、噪声影响等因素。由于GSM均衡器只能处理延迟4 bit的多径信号，相当于15 µs的延时，同一小区内，在载干比（C/I）小于9 dB 的情况下，应保证来自、不同光纤直
放站的各射频信号的时延差不大于15 µs。1.2 直放站组网覆盖方案
直放站在国内GSM-R的弱覆盖场景中应用非常广泛。直放站一般会选择就近的宏站作为信源，将射频信号拉出，通过近端机后，射频信号在远端机覆盖补盲。宏站+直放站覆盖示意见图2。
直放站的输出功率较小，覆盖范围小。直放站是一种射频拉远的信号放大设备，信号有失真。射频拉远距离不同，时延也不同，主设备补偿困难。直放站不能增加系统容量，反而增加了底噪，使原工作环境恶化，缩小覆盖半径。此外，直放站的网管功能和设备检测功能远不如，当直放站发生故障后不易发现。
另外，直放站的工程安装要求较为苛刻。因直放站有时延，直放站级联数有限制；附近不能有较强的信号与施主同频。直放站的工程安装需要根据实地勘测结果进行传播预测和系统平衡的计算，以决定直放站相关参数的取值[1]。
1.3 采用直放站覆盖产生的影响
（1）影响1：级联数受限于处理延时。GSM-R中如果弱覆盖的区域较长，单个直放站不一定能够解决问题。这时就会规划采用直放站级连的方式增强覆盖。每一级直放站站址选择及天线选择原则与采用单个直放站时相同。但是，由于直放站是同频放大，且对信号的处
理有一定时间，每段信号之间有一定时延，当时延差超过GSM系统所能分辨的时间窗时，就会形成同频干扰。因此，当采用直放站进行级连时必须考虑直放站处理延迟所带来的影响。
每一种直放站的处理时延可能会有所区别，有的只有2～3 µs或5～6 µs。而GSM系统能准确处理的两路信号时间差不能超过15 µs，因此直放站的级连必然受限。
（2）影响2：背景噪声容易引起施主干扰。从现场多年使用直放站的经验来看，直放站的使用很可能会对施主造成不同程度的干扰。当直放站主机上行背景噪声电平过大，则噪声电平传送到的强度大于最大容许的噪声接收电平时，就会造成的信道阻塞。因此，对于直放站的应用场合要特别关注背景噪声，相比其他而言，直放站更易引起干扰。
2 分布式RRU覆盖方案
2.1 典型分布式RRU方案
GSM-R产品主要有室内型宏站ZXG10 B8800和分布式ZXG10 B8700，都是基于软件定义无线电（SDR）统一平台，由基带单元（BBU）和RRU组成，两者通过光纤进行连接（见图3）。
无论哪种产品，射频部分RRU都可以按照需求拉远，该设备具有以下优势：
（1）模块体积小，质量轻，单人单手可提，安装维护更为简单灵活，特别适合铁路沿线的隧道、桥梁、山区覆盖；
（2）RRU支持4级级联，实现最远40 km距离覆盖，灵活组网；
（3）RRU近天线安装，减少馈线损耗，增强覆盖；
（4）多RRU联合共小区功能，灵活调度无线资源，解决铁路覆盖特殊需求，提高无线利用率；
图2 宏站+直放站覆盖示意图
图3 ZXG10 B8800和B8700产品示意图
BTS1 Mu
Ru
Ru
室内型宏ZXG10 B8800
射频单元：B8200
射频单元：RSU02E
Radio Unit
Baseband Unit
射频单元RRU R8240 基带单元 B8200
分布式 ZXG10 B8700
GSM-R弱覆盖场景的解决方案 杨启庆 等
（5）灵活组网：星型、链型、树型、环型和灵活的传输接口（E1/T1、SDH、微波/卫星）；
（6）支持平滑演进到LTE-R[2]。
2.2 分布式组网方案
BBU+RRU分布式实现GSM-R组网覆盖，是采用业界最新的“分布式”设计理念。由于拉出的RRU是基带信号，在拉远时无失真。RRU本身就是的射频组成部分，自身可提供载频容量。拉出的RRU与宏站充分融合，具有完善的设备管理和报警功能，可降低维护成本和维护工作量。
BBU建议放置在车站或现有机房，RRU 通过级联方式在铁路沿线自由灵活铺设，可以采用抱杆安装或者利用已有的沿线铁塔安装。RRU近天线安装，可以节省馈线损耗。分布式RRU支持挂墙、抱杆、塔顶安装等多种安装方式。电源柜的安装也较为灵活，支持室内和室外或上塔的安装方式。
GSM-R的高安全性要求采用冗余组网方案，特别是在弱覆盖场景下更需要主备覆盖。结合目前的实际应用情况，可以大致分为BSC级和BTS两级冗余。BSC级冗余有FlexAbis+双BSC方案；BTS级冗余有同址双站、交织冗余等方式。
在铁路沿线弱覆盖场景下，采用分布式RRU覆盖方案后，可以轻松实现BBU环网、主备BBU、FlexAbis组网等冗余方案。一般建议采用混合组网方案（见图4）。
混合环型组网非常适合弱场区域的覆盖，如隧道、桥梁等。 它不仅可以扩展无线覆盖范围，还可以提高网络可靠性和信号质量。当一个BBU故障，RRU可以自动连接到另外一个BBU上，保证系统正常运行。 当一个RRU故障或光纤链路故障，RRU环网将分裂成2个链型，分别连接到BBU1和BBU2。
实际项目中可以结合具体情况，选择最适合的BSC级和BTS级冗余组网，共同组成GSM-R BSS子系统的解决方案。2.3 多RRU共小区技术
多RRU共小区技术是指不同RRU采用相同的频率及参数设置，在逻辑上设置为同一小区。在GSM-R覆
盖中，通过将相邻的几个RRU设置为同一小区，列车穿过同一小区的不同RRU时不发生切换，只有跨小区的RRU之间才发生切换，可以有效避免传统覆盖方案中切换过于频繁导致切换成功率低的问题[3]。
逻辑小区与物理小区示意见图5。对于多RRU共小区技术，中兴通讯要求隶属于同一个逻辑载频的多个RRU上的物理载频必须配置在同一个UBPG板上进行处理。目前UBPG最大能处理12个收发信机（TRX），GSM-R设备中的B8200支持3个UBPG板。因此，目前中兴通讯系统最大可以配置12个RRU为同一个逻辑小区，支持铁路系统中较大的O3站型。通过该技术，将小区覆盖半径拓宽为传统方式的12倍，大幅减少了小区数量，降低了小区重选和切换次数。
3 两种方案对比分析
3.1 技术对比
GSM-R的覆盖主要还是由宏站来承担。针对弱覆盖场景，一般采用宏站+分布式RRU解决方案和宏站+直放站解决方案（见图6）。分布式RRU方案和直放站方案技术对比见表1。
图4 BBU+RRU混合环型组网示意图
RRU1
M S
RRU2
M S
RRU3
M S
RRU4
M S
RRU
BBU1 BBU2
Abis
BBU
Abis Abis
iBSC
图5 逻辑小区与物理小区示意图
逻辑小区1 逻辑小区2
切换
RRU BBU 逻辑小区物理小区 光纤
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3.2 分布式RRU方案的优势
与直放站覆盖方案比较，分布式RRU覆盖方案能够给GSM-R带来的优势为：更好的网络质量、更简易的网络扩容方式、更方便的维护管理和更灵活的网络规划设计。分布式RRU方案比直放站方案具有“低成本、高质量、更可靠、易施工、便运维”的优势[4]。3.2.1 低成本
（1）站点数量：RRU支持机顶40 W发射功率，可减少站点设计数量，节省投资成本；
（2）RRU具有时延自动校正功能，最大拉远40 km；直放站有时延限制要求，最大拉远约3 km；
（3）直放站近端机数量：无需使用直放站近端机；
（4）网管数量：RRU由GSM-R无线网管统一管理，无需建设直放站网管系统；3.2.2 高质量、更可靠
（1）信号质量：RRU直接输出射频信号，信噪比低，信号质量更好；直放站从取信号，放大信号的同时也放大噪声；RRU输
数字光纤直放站
出功率更大，覆盖更好。
（2）R R U 可使用多谱勒频偏校正、多RRU共逻辑小区技术、高速切换算法，矫正多普勒频移，拉大单逻辑小区覆盖范围，减少切换次数，减少切换时间，提高网络通信质量。在350 km/h的运行速度下，列车内用户通话质量受多普勒频偏影响明显，光纤直放站无能力解决该问题。
（3）可靠性：提供BBU/RRU环网保护，提高可靠性。
3.2.3 易施工、便运维
（1）RRU功率大，可减少站点数量，同时也减少了施工成本。
（2）RRU是BTS的射频单元，由GSM-R无线网管统一管理，直放站需独立网管。分布式与传统宏站一样可正常接入大网网管，并可对属于同一逻辑小区而位于不同物理站址的RRU分别进行监控。而光纤直放站无法纳入大网网管，维护非常不便，且光纤直放站交调指标差，抬升网络底噪，严重影响通话质量。
（3）后续演进发展：光纤直放站属于濒临淘汰的技术，而基于宽带多载波功放的分布式在向LTE-R演进方面有着明确的解决方案。
4 应用案例
某铁路局有一段弯曲的货运专线，无线环境较为恶劣，不仅山体阻挡严重，还有短隧道，且上下行分线。若采用宏站+直放站方案，弯道部分需要2个近端机和7个直放站远端机（见图7）。采用宏站+分布式RRU方案（见图8），应用分布式RRU产品和多RRU共小区技术覆盖方案，BBU+RRU分布式可实现GSM-R覆盖，因RRU功率更大、覆盖范围更广（RRU的覆盖距离约是直放站覆盖距离的2倍），同样的路段只需4个RRU通过级联方式在弯道沿线覆盖，RRU可采用抱杆安装或利用已有的沿线铁塔安装。弯道部分原来需要7个直放站，该方案则可减少到4个RRU就能实现无缝覆盖。
方案中采用的创新产品和解决方案能够专
（a）宏站+分布式RRU （b）宏站+直放站
图6 GSM-R弱覆盖场景的解决方案表1 分布式RRU方案和直放站方案技术对比
RRU 光纤
B8800
B8800
电缆
直放站近端机
光纤
直放站远端机
GSM-R弱覆盖场景的解决方案 杨启庆 等
图7 某弯曲货运专线采用宏站+直放站方案
图8 某弯曲货运专线采用宏站+分布式RRU方案
门解决铁路沿线弱覆盖的难题。目前分布式RRU和多RRU 共小区技术，于2013年底在南宁铁路枢纽环线中获得首次应用，无障碍运行2年后，于2015年在丹大高铁GSM-R系统中获得应用。该创新技术将不断扩大应用，为铁路安全运营提供技术支持。
参考文献
[1] 钟章队. 铁路数字移动通讯系统（GSM-R）无线网
络规划与优化[M]. 北京：清华大学出版社，北京交 通大学出版社，2012.
[2] 中兴通讯股份有限公司. 快速发展的中兴通讯 GSM-R BSS产品介绍V1.00[R]，2011.[3] 杨锐. 分布
式在我国铁路GSM-R系统中的应用 研究[J]. 铁路技术创新，2012(2)：64-66.[4] 宋钢，张亮. 大秦线分布式提升特殊区段GSM-R
无线网络质量的研究[J]. 中国铁路，2013(11)：47-51.
责任编辑 卢敏
收稿日期 2016-08-19
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